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          碩頓電子科技(湖州)有限公司

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          開關電源發展趨勢
          作者:    發布于:2021-02-18 09:16:38    文字:【】【】【】瀏覽 (72)
          摘要:開關電源發展趨勢的五大關注點

          關注點之一:高頻磁與同步整流技術的革新


          在電源系統中我們會應用大量磁元件,高頻磁元件的材料、結構和性能都不同于工頻磁元件,有許多問題需要研究。而我們在性能上對高頻磁元件所用磁性材料有一定的要求,其中損耗小,散熱性能好是基本的要求,只有達到這樣的標準才能做到產品的優化,磁性能才會優越。適用于兆赫級頻率的磁性材料是用戶的一大關注點,納米結晶軟磁材料也已得到開發應用。


          然后在擁有了高頻化技術之后,提高開關電源的效率是技術的另一難題,這就要求我們技術設計人員必須開發和應用軟開關技術。而這種軟開關技術的研究已經成為行業的多年來的科研熱點,得到越來越多的設計者們的關注。


          我們看過這樣的技術,如同步整流SR技術,即以功率MOS管反接作為整流用開關二極管,代替蕭特基二極管(SBD)。這個設計可降低管壓降,從而提高電路效率。這就是我們在對于低電壓、大電流輸出的軟開關變換器,我們想方設法降低開關的通態損耗,進一步提高其效率的措施。


          關注點之二:開關電源的功率密度的改進


          提高開關電源的功率密度,使之小型化、輕量化,是設計者的關注之一。電源的小型化、減輕重量對便攜式電子設備(如移動電話,數字相機等)尤為重要,設計者們將通過三種方案來做到降低開關電源的功率密度。


          靠前種方案是實現高頻化。為了實現電源高功率密度,必須提高PWM變換器的工作頻率、從而減小電路中儲能元件的體積重量。


          第二種方案是采用新型電容器。減小電力電子設備的體積和重量,必須設法改進電容器的性能,提高能量密度,并研究開發適合于電力電子及電源系統用的新型電容器,要求電容量大、等效串聯電阻ESR小、體積小,做到新型電容器的體積縮小作用。


          第三種方案是應用壓電變壓器的改進。應用壓電變壓器可使高頻功率變換器實現輕、小、薄和高功率密度。壓電變壓器利用壓電陶瓷材料特有的“電壓-振動”變換和“振動-電壓”變換的性質傳送能量,其等效電路如同一個串并聯諧振電路,進行應用壓電變壓器的改進。


          關注點之三:功率半導體器件性能


          早在上世紀末,Infineon公司推出了冷mos管,它采用“超級結”(Super-Junction)結構,又稱超結功率MOSFET。工作電壓在600V~800V,通態電阻幾乎降低了一個數量級,仍保持開關速度快的特點,是一種有發展前途的高頻功率半導體電子器件。


          就在這種很有前途的高頻功率半導體電子器件IGBT剛出現時,電壓、電流額定值只有600V、25A。很長一段時間內,耐壓水平限于1200V~1700V,經過長時間的探索研究和改進,現在IGBT的電壓、電流額定值已分別達到3300V/1200A和4500V/1800A,高壓IGBT單片耐壓已達到6500V,一般IGBT的工作頻率上限為20kHz~40kHz,基于穿通(PT)型結構應用新技術制造的IGBT,可工作于150kHz(硬開關)和300kHz(軟開關),大大提高了應用性能。


          我們看到的IGBT技術進展實際上是通態壓降,快速開關和高耐壓能力三者的折中。隨著工藝和結構形式的不同,IGBT在20年歷史發展進程中,分別是穿通(PT)型、非穿通(NPT)型、軟穿通(SPT)型、溝漕型和電場截止(FS)型。


          碳化硅SiC是功率半導體器件晶片的理想材料,其優點是:禁帶寬、工作溫度高(可達600℃)、熱穩定性好、通態電阻小、導熱性能好、漏電流極小、PN結耐壓高等,有利于制造出耐高溫的高頻大功率半導體電子元器件。由此我們不難看出碳化硅將是21世紀較可能成功應用的新型功率半導體器件材料,它的出現將大大改進我們原有的產品設計性能。


          關注點之四:分布電源結構


          在說到分布電源結構之前我們先說一下分布電源系統, 現在分布電源系統有兩種結構類型有兩級結構和三級結構兩種類型。分布電源系統適合于用作超高速集成電路組成的大型工作站(如圖像處理站)、大型數字電子交換系統等的電源,它有著可實現DC/DC變換器組件模塊化、容易實現N+1功率冗余、易于擴增負載容量、可降低48V母線上的電流和電壓降、容易做到熱分布均勻、便于散熱設計、瞬態響應好,可在線更換失效模塊等優點。


          關注點之五:PFC變換器


          由于AC/DC變換電路的輸入端有整流元件和濾波電容,在正弦電壓輸入時,單相整流電源供電的電子設備,電網側(交流輸入端)功率因數僅為0.6~0.65。采用PFC(功率因數校正)變換器,網側功率因數可提高到0.95~0.99,輸入電流THD小于10%。既治理了電網的諧波污染,又提高了電源的整體效率。這一技術稱為有源功率因數校正APFC單相APFC國內外開發較早,技術已較成熟;三相APFC的拓撲類型和控制策略雖然已經有很多種,但還有待繼續研究發展。


          一般高功率因數AC/DC開關電源,由兩級拓撲組成,對于小功率AC/DC開關電源來說,采用兩級拓撲結構總體效率低、成本高。


          如果對輸入端功率因數要求不特別高時,將PFC變換器和后級DC/DC變換器組合成一個拓撲,構成單級高功率因數AC/DC開關電源,只用一個主開關管,可使功率因數校正到0.8以上,并使輸出直流電壓可調,調整后的直流電壓就促進了PFC變換器的應用性能,較終實現總體的效率提高,成本降低。

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